圆柱坐标型搬运机械手主要结构与传动的实现.docx
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圆柱坐标型搬运机械手主要结构与传动的实现
圆柱坐标型搬运机械手主要结构与传动的实现
3.1机械手的技术参数列表
（1）用途：
搬运:
用于车间搬运。
（2）设计技术参数:
1）抓重:
0.5kg；
2）自由度数:
4个自由度；
3）坐标型式:
圆柱坐标；
4）最大工作半径:
500mm；
5）小臂最大中心高:
1248mm；
6）小臂运动参数：
①伸缩行程：
500mm；②伸缩速度：
100mm/s；③升降行程：
480mm；
④升降速度：
250mm/s；⑤回转范围：
0～90°；
7）手腕运动参数：
①回转范围:
0～180°；②回转速度:
0～90°；
8）重复定位精度：
±3nm；
9）搬运工件的工作周期：
20s。
3.2横梁设计
横梁示意图如图1所示。
1.立柱2.挡块与缓冲器3.导轨4.拖链5.滑块6.横梁7.齿条
图1横梁示意图
3.2.1横梁上零部件的安装
（1）横梁采用120*120*890规格的空心矩形梁，梁的壁厚为5mm。
梁上安装两个横向导轨3，还装有m=3mm的横向齿条。
齿条的齿面向右安装，这是因为考虑到如果齿面朝上，机器人作业时现场有灰尘，容易积存在齿面上，影响工作寿命。
同时，将齿条侧装也是考虑到电机输出轴与齿条间传递动力的方便，因为若将齿条齿面向上，电机要经过机构变向后，才可以实现齿轮与齿条啮合传动，结构复杂，没有现在的用的方法简便。
再次横梁上除齿条外的空间可以装有拖链装置4，保证横梁上的移动部件运行的气路管道、动力电源和信号传输。
（2）横梁侧面的两条道轨用来保证横梁上移动部件的运动，导轨上各有两个滑块，共四个滑块，与移动部件相连。
（3）在两条导轨中间有一定的间隙，在横梁上打若干个螺孔，间距25mm，孔径10mm。
横梁的两端装有吸振块，在块上装有吸振器宇挡块，用来确定小臂移动时的位置。
吸振块通过螺栓安装在横梁中间的螺孔上。
3.2.2横梁的选材和基本数据
横梁主要是用来支撑小臂移动部件的重量，同时，在小臂移动部件运动的过程中起到导向的作用，因此要求梁的刚度，强度要好。
横梁选用铝材。
铝的特性和相对密度小，导电和导热性能好，在一般介质中有较好的耐腐蚀性，以及优良的冷、热压力加工性能，而且铝的纯度越高，性能越好。
一般地说，铝合金在不同程度上保持了纯铝的特性。
例如，铝合金的相对密度明显小于钢铁，耐腐蚀性优于普通钢铁，但是铝合金的强度则明显高于纯铝，某些铝合金的强度甚至接近普通低、中碳钢，同时又有高的塑性。
铝合金的比强度可与热处理后的合金钢媲美，又有优良的低温性能，所以铝合金是优良的结构材料，在工业部门获得了广泛的应用。
铝合金可为：
包覆铝，防锈铝，硬铝，锻铝，超硬铝，特殊铝，钎焊铝。
此次因为注塑机械手夹取得重物约为0.5kg，因此不要求太大的强度，针对强度及重量两方面进行选择硬铝。
硬铝又称杜拉铝，是含有铜、镁、锰等元素的变形铝合金。
其特点是具有高的强度和硬度，可以热处理强化。
该合金耐腐蚀性较差，因此在生产硬铝半成品时，常在外面包一层纯铝。
此种合金以“LY”加序号表示如LY1、LY2等。
用于制造铆钉以及个汇总手里的结构零件。
硬铝一般是铝—铜—镁、铝—镁—锌系铝合金，他们具有较高的强度，又因为其度小，质量轻。
而避免了机械手过于笨重；铝合金的价格比普通钢高，但不能单纯考虑材料的价格，而应多方面进行综合评述。
因此，在横梁处使用硬铝可以充分利用和发挥铝合金相对密度小、比强度高、低温性能好、耐腐蚀性好、施工方便的优良性能。
横梁的材料选用硬铝LY11，化学成分见表1。
表1LY11化学成分
Cu
Mg
Mn
Zn
Al
3.8~4.8
0.4~0.8
0.4~0.8
0.3
余量
LY11是应用最早的一种硬铝，一般称为标准硬铝，具有中等强度，在退火、刚淬火和热状态下可塑性尚好，可热处理强化，在淬火和自然时效状态下使用，点焊焊接性良好，用LY11作焊料进行气焊及氩弧焊时有裂纹倾向；包铝板材有良好的稳定性，不包铝的则抗蚀性不高，在加热超过100℃有产生晶间腐蚀倾向。
表面阳极氧化和涂漆能可靠地保护挤压与锻造零件免于腐蚀。
可切削在淬火时效状态下尚好，在退火状态时不良。
查《实用工程材料技术手册》，常用铝及铝合金加工产品的力学性能如表2所示。
表2常用铝及铝合金加工产品的力学性能
状态
抗拉强度/MPa
屈服强度/MPa
伸长率/%
抗剪强/MPa
疲劳极限/MPa
硬度/HBS
弹性模量E
泊松比
M
180
70
20
125
90
45
73
0.31
Cz
425
275
15
260
125
102
73
0.31
查《最新实用金属材料册》工业铝用铝合金制管（GB/T6893—86）力学性能如表3所示。
表3工业铝用铝合金制管的力学性能
供应状态
管材尺寸
抗拉强度
屈服强度
伸长率
M
所有尺寸
不大于250
—
10%
Cz
小于22mm
380
200
13%、14%
22~50mm
400
230
11%、12%、13%
大于50mm
400
230
11%、12%、13%
型管
400
230
11%、12%、13%
查《实用工程材料技术手册》常用铝合金加工产品的物理性能，得LY11密度：
2.78~2.8g/cm3，近似取密度2.785g/cm3，以上各表查得的数据可以作为强度，刚度校核的基础。
横梁截面尺寸：
公称边长120×120；壁厚5.0。
3.2.3横梁上其他部件的安装关系
（1）横梁与立柱、小移动的部件、导轨、齿条、吸振块、拖链发生安装关系。
设计时，考虑要使结构简单，安装方便，将齿条与拖链安装在横梁的上面，将小臂移动部件安装在横梁的侧面，横梁的一段焊接有铝板，立柱上方也有焊接铝板，通过两块铝板使横梁与立柱向连接。
（2）导轨的安装如图2所示，要求安装精度比较高，因此，先将横梁上焊接外形尺寸为66.5×3×890的薄铝板，再将薄铝板上表面磨平，用钻头打两条导轨的安装落空，距离60mm，M3.0，以便导轨直接用螺钉拧紧到梁上，一次来给移动部件定格为，并且可以通过调节挡块和吸振器在块上的距离来微调小臂移动部件在横梁上的位置。
图2导轨的安装
因为横梁表面属于未加工面，所以首先应该在横梁上方焊接一块薄铝板，然后再在薄铝板上面安装齿条。
齿条上有加工孔，在焊接薄铝板和横梁上打有M5.0螺孔，用M5.0的开槽沉头螺钉把齿条安装在横梁上，每个螺钉孔之间的距离是50mm。
3.3小臂移动部件概述
小臂移动部件主视图如图3所示。
图3小臂移动部件主视图
3.3.1小臂移动部件设计说明
小臂选材与横梁相同，采用硬铝LY11。
由《机械设计手册》第一卷表3-2-29铝及铝合金冷拉正方形、矩形管的规格（GB/4436-84）查参数，并选用公称边长70×50壁厚s=5.0mm的矩形管。
由《机械设计手册》第一卷3-2-30工业用铝及铝合金制方形和矩形管的温室力学性能（GB6893-86）查选用铝管的温室力学性能如表4所示。
小臂移动装配如图4所示。
表4铝管的温室力学性能
牌号
供应状态
管材尺寸/mm
抗拉强度/MPa
屈服强度/MPa
伸长率
/%
边长
壁厚
LY11
CZ
70*50
5.0
400
230
11
图4小臂移动装配图
小臂1的一个侧面焊接有薄铝板，在其上打螺孔，用来安装导轨。
与导轨相配套的两个滑块安装在竖板上。
小臂1的另一个面用来安装小臂2的导轨，使得小臂2相对于小臂1可以运动。
小臂1的另一侧装有带轮，通过同步带带动小臂2相对小臂1运动。
小臂2采用与小臂1相同的材料，也就是LY11，公称边长为60×40，壁厚为5.0mm。
小臂2的右侧面要焊接两块薄铝板，因为小臂2所采用的铝管表面为未加工表面，安装滑块时定位精度不高，而且也不易于滑块的稳定，所以要在上面焊接有光洁表面的铝板，然后再把滑块安装在铝管上。
在小臂2的左侧面与滑块相对应的位置上，分别揩油44×40的方孔，为的是便于用螺钉把滑块安装在小臂上，可以通过两个方孔来拧螺钉，固定滑块。
3.3.2小臂倍增机构原理
小臂升降行程为480mm，如果采用普通的机构，在升降运行的过程中要浪费时间，而且如果要浪费时间，而且如果采用气缸作为动力来推动小臂运动的话，气缸的行程就会加大，气缸的体积也会相应的增大，重量就会增加，所以可以采用倍增机构来适当的解决这些问题，当然采用这样的机构也有一定的缺点，比如结构比没有倍增时复杂，但是权衡利弊，还是有限选用了倍增机构，如图5所示。
图5倍增机构原理图
小臂2与小臂1组成小臂，他们之间又有相对运动，通过滑块与导轨来连接。
气缸5通过连接块4与小臂相连接，推动小臂运动。
小臂1上有带轮7，同步带动的一段通过固定夹块1与竖板固定，另一端通过固定夹块8与小臂2固定，为其提供运动的动力，气缸带动小臂1运动的同时，同步带动小臂2相当于小臂1运动，同时达到了倍增的目的。
3.3.3带轮设计
由《机械设计手册》第三卷表13-1-47查同步带主要参数如表5、6所示。
表5同步带的齿形与带宽
模数制
模数m
节距Ph
齿形角β
齿根厚s
齿顶厚s1
齿高h
2
6.283
40
2.87
2
1.2
齿根圆半径R
齿顶圆半径R1
带高h1
节顶距
δ
带宽b
0.20
0.20
2.2
0.500
8,10,12,16,20,25,30
表6带轮尺寸
模数制
齿槽角2ψ
节距Ph
节圆半径d
模数m
齿侧间隙Cm
名义径向间隙e0
径向间隙e
40°
πm
mz
2
0.5
0.69
0.69
外圆直径d0
外圆齿距P0
外圆齿槽宽b0
齿槽深
hg
齿槽底宽bw
齿根圆半径rb
齿顶圆半径R
d-2δ
（πd0）/z
s+cm
h+e
S
0.25m
0.25m
采用带轮机构可以方便快捷地实现倍增的目的。
如果不在带轮的中央装轴承，而是只采用一般的滑动摩擦连接方式，在转动的过程中会有比较大的摩擦力，因为存在很大的间隙，在运动的过程中还有振动，带轮的寿命也会大大降低，所以可以设计成灾带轮的中央装一个轴承，这样就可以减小摩擦力，消除振动，并且大大增加带轮的寿命，带轮设计如图6所示。
图6带轮设计
通过左右两个夹紧盘1来固定轴承和带轮，使他们相对固定。
在夹紧盘1的边上冲压有一个斜角，这样就可以避免同步带从带轮上脱落下来。
在小臂1的上下装有一个带轮，但是上下的安装方式略有不同，下边的带轮之间通过螺栓螺母固定在小臂1上，而上面的带轮可以沿着小臂1上开的竖直方向的调节槽运动，位置调节好之后还可以再用罗螺栓螺母把带固定在小臂1上，这样他们之间就不会再有相对运动了。
设计调节槽10的目的是因为同步带在用了一定的时间之后就会变松，为了不至于使同步带脱落下来，就必须可以调节两个带轮之间的距离，从而张紧同步带，保证正常的转动。
在小臂1上相对应地位置开一个与螺栓公称直径一样宽的调节槽，方便而且易于实现，为了防止带轮与小臂1之间的摩擦，在调节螺栓4上有垫圈7。
3.3.4摆动气缸设计
采用摆动气缸可以很容易实现手指的旋转，所以方案中采用摆动气缸，安装在小臂2的下面。
表7本设计采用薄型回转摆动气缸（齿杆型）基本参数。
表7薄型回转摆动气缸（齿杆型）基本参数
气缸直径/mm
流体
动作形式
最高使用压力/MPa
最低使用压力/MPa
环境和流体的温度/℃
10
空气
双动
7（0.7）
1.5（0.15）
0~60
缓冲
摆动角度
可调节角度范围
转矩/（kgf.cm）
允许动能/（kgf.cm）
转动时间范围
橡胶缓冲
90°
±5°
3
0.0025
0.2~0.7
薄型回转摆动气缸型号为CRQBW10-90,薄型回转摆动气缸在小臂2上的安装,薄型回转摆动气缸安装在小臂2的下端，在摆动气缸安装的相应的位置焊接有薄铝板，这样可以保证摆动气缸安装在小臂2上以后可以稳定的摆动。
在焊接薄铝板和小臂2上打公称直径为5.0的螺纹通孔，用M5.0的螺钉两个把薄型回转摆动气缸安装在小臂2上。
在摆动气缸回转轴上安装有一个小的机械结构，用来安装吸盘杆。
为了使小臂在运动的过程中安全定位，在小臂1的上端有定位装置，定位块有两部分组成，一部分是缓冲器，另一部分是挡块，他们安装在一个块上。
导轨2安装在小臂1的上端，通过5枚直径5.0mm的螺钉相连。
因为小臂在竖直方向的运动是为了实现抓取注塑机加工的成品，他可以达到的极限位置可以保证达到成品所在的最低位置，成品是在一定的范围之内，所以小臂的位置也相对比较固定，只需要一小段导轨就是可以实现小臂的定位，设计中导轨的长度是100mm，可以控制的手抓位置可以达到它的两倍，即200mm,吸振块在导轨上的位置可以有螺母拧紧确定。
表8所示为气缸部分参数。
表8气缸部分参数
气缸直径/mm
流体
动作形式
最高使用压力/MPa
最低使用压力/MPa
环境和流体的温度/℃
10
空气
双动
10.2（1.0）
0.5（0.05）
-10~60°
缓冲
保证耐压力/MPa
润滑
行程公差/mm
活塞速度/（mm/s）
接管口径Rc
气冲缓冲
15.3（1.5）
±5°
0.0~1.0
50~1000
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3.4小臂的设计及有关计算
小小臂件是机械手的主要握持部件。
它的作用是支撑腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。
小臂运动应该包括3个运动：
伸缩、回转和升降。
本章叙述小臂的伸缩运动，小臂的回转和升降运动设置在机身处，将在下一章叙述。
小臂运动的目的：
把手部送到空间运动范围内任意一点。
如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。
因此，一般来说小臂应该具备3个自由度才能满足基本要求，既小臂伸缩、左右回转、和升降运动。
小臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从小臂的受力情况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的静、动载荷，而且自身运动较多。
因此，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。
3.3.1小臂设计的基本要求
（1）小臂应承载能力大、刚度好、自重轻，其基本要求如下：
1）根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸；
2）提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离；
3）合理布置作用力的位置和方向；
4）注意简化结构；
5）提高配合精度。
（2）小臂运动速度要高、惯性要小。
（3）小臂动作应该灵活
为减少小臂运动之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。
对于悬臂式的机械手，其传动件、导向件和定位件布置合理，使小臂运动尽可能平衡，以减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别要防止发生机构卡死（自锁现象）。
为此，必须计算使之满足不自锁的条件。
机械手手部的运动速度是机械手的主要参数之一，它反映机械手的生产水平。
对于高速度运动的机械手，其最大移动速度设计在1000m/s～1500m/s,最大回转角速度设计在180°/s内，大部分平均移动速度为1000m/s，平均回转角速度在90°/s。
在速度和回转角速度一定的情况下，减小自身重量是减小惯性的最有效，最直接的办法，因此，机械小小臂要尽可能的轻。
减少惯量具体有4个途径：
1）减少小臂运动件的重量，采用铝合金材料；
2）减少小臂运动件的轮廓尺寸；
3）减少回转半径，再安排机械手动作顺序时，先缩后回转（或先回转后伸缩），尽可能在较小的前伸位置下进行回转动作；
4）驱动系统中设有缓冲装置。
以上要求是相互制约的，应该综合考虑这些问题，只有这样，才能设计出完美的、性能良好的机械手。
3.4.2小臂的典型运动机构
常见的小臂伸缩机构有以下4种：
1）双导杆小臂伸缩机构；
2）小臂的典型运动形式有：
直线运动，如小臂的伸缩，升降和横向移动；回转运动，如小臂的左右摆动，上下摆动；符合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的双层液压缸空心结构；
3）双活塞杆液压岗结构；
4）活塞杆和齿轮齿条机构。
3.4.3小臂直线运动的驱动力计算
先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸，再进行校核计算，修正设计。
如此反复，绘出最终的结构。
做水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力根据液压缸运动时所克服的摩擦、惯性等几个方面的阻力，来确定来确定液压缸所需要的驱动力。
液压缸活塞的驱动力的计算。
3.4.4小臂摩擦力的分析与计算
摩擦力计算方式不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力是不同的，要根据具体情况进行估算。
图7所示是机械手的小臂示意图，本设计是双导向杆，导向杆对称配置在伸缩岗两侧。
图7小臂受力示意
由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。
得
得
式中G总——参与运动的零部件所受的总重力（含工件），N；
L——小臂与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离，m；
a——导向支撑的长度，m；
——当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关。
对于圆柱面：
式中μ——摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时：
钢对青铜取μ=0.1~0.15；钢对铸铁取μ=0.18~0.3.
导向杆的材料选择钢，导向支撑选择铸铁
，
，
导向支撑a设计为0.016m
将有关数据代入进行计算
3.4.5小臂惯性力的计算
本设计要求小臂平动是V=5m/min，在计算惯性力的时候,设置启动时间
，启动速度
3.5立柱与立柱驱动概述
立柱上是整个横梁和小臂移动部件，可以转动和移动的大部分部件的重量都集中在这里，而且立柱做的是旋转运动，如果用电机驱动的话可以很容易实现，而且可以提供相应的驱动力，所以立柱旋转由进步电机驱动。
箱体由厚度为10mm的钢板焊接而成，因为这样的机械手是单件生产，如果铸造的话会很不经济，如果用焊接的方法，箱体就比较容易制造，而且比较实惠，箱体的两个侧面没有焊接钢板是为了安装箱体内各个部件方便，相对应的两个侧面安装侧面挡板。
电机的动力通过电机齿轮传动立轴齿轮上，两个齿轮的公称直径都是20mm。
立柱为阶梯轴，立柱顶端的圆盘上大有通孔，可以用螺栓把它和横梁连接在一起。
立柱上端和下端各有一个角接触球轴承，上端的角接触球轴承通过上端的轴承盖上的润滑孔来润滑，下端的角接触球轴承通过侧面的润滑器6来润滑，电机齿轮和立柱齿轮通过箱体上边上的润滑器来润滑。
箱体下面的轴承下面有两个通孔，一个是电机齿轮下面，为的是安装电机齿轮的方便，便于安装定的电机齿轮的螺钉。
另一个通孔在立柱的下面，安装有轴承端盖，用来固定轴承，同时也可以便于在拆装的时候取出角接触球轴承。
3.6气动系统设计
在启动系统自动化设计中，无论多么复杂的系统最终是要通过气动执行元件和一定的结构相连构成气动机构，来实现特定的动作。
3.6.1气缸的缓冲
在本课题中采用外部缓冲器和气动缓冲回路综合来缓冲的方法。
这样对于重载运动部件的缓冲的效果好，安全可靠。
3.6.2气缸的导向
气缸活塞杆不能承受大的侧向载荷（包括活塞杆伸出因自重而下垂），一般允许的侧向载荷不应超过气缸的规定值，否则会出现气缸运动卡死，缸桶内壁拉伤及缸盖伤的支承轴承受单边磨损而引起泄露，甚至工作失效。
3.7电动系统概述
电动机是一种旋转式电动机器，它将电能转变为机械能，它主要包括一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子。
在定子绕组旋转磁场的作用下，其在电枢鼠笼式铝框中有电流通过并受磁场的作用而使其转动。
这些机器中有些类型可作电动机用，也可作发电机用。
它是将电能转变为机械能的一种机器。
通常电动机的作功部分作旋转运动，这种电动机称为转子电动机；也有作直线运动的，称为直线电动机。
电动机能提供的功率范围很大，从毫瓦级到千瓦级。
常用的伺服电动机氛围两大类：
（1）直流伺服电动机；交流伺服电动机；步进电动机；直接驱动电动机；
（2）同步型伺服电动机；异步型伺服电动机。
考虑到本次设计的机械手功率不太大，动作速度不高的情况，决定采用交流异步电动机。
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